虚拟现实技术在灾害救援医疗场景专科化训练中的应用探讨

王 新，彭碧波，董一颍

虚拟现实（virtual reality，VR）技术是指利用计算机模拟产生三维仿真系统，提供使用者关于各种感官的模拟及可视化的操作交互，具有浸沉感、交互性和构想性三个重要特征，在进行真实场景模拟训练方面具有仿真训练成本低、环境流程可编辑及数据收集能实时反馈等方面的优势，早期主要应用于军事训练、机械工程制造、航空航天模拟等专业领域。VR技术主要有3种类型：VR、增强现实（augmented reality，AR）、混合现实（mixed reality，MR）。其中，AR是在VR技术基础上发展演化起来的，能够拓展和加强用户对周围世界的感知。而MR是指合并现实和虚拟世界而产生的可视化环境，分为AR和增强虚拟。随着互联网大数据、人工智能、网络通信、图像处理等技术的井喷式发展，VR技术得到迅速普及，已逐渐在临床技能培训、患者康复治疗、心理治疗和远程医疗等领域广泛应用[1-3]，同时也在灾害救援医学方面展现出广阔的应用前景。

1 VR技术在国内外医疗教学训练中的研究现状

1.1 国外研究现状 VR技术在教学中的应用研究在国内外存在很大差距，一些欧美国家在该方面的研究已有将近20年的历史，且成果颇丰。如北卡罗来纳大学的计算机系就是对VR技术研究最早且最著名的大学，其研究主要集中在分子建模、外科手术仿真、建筑仿真及航空驾驶等方面；乔治梅森大学研发了一套在动态虚拟环境中的流体实时仿真系统；华盛顿大学技术中心的人机界面技术实验室将VR引入了教育教学、设计、制造及娱乐等领域；NEC公司研发的一种VR系统可让使用者采用“代用手”去处理三维计算机辅助设计（computer aided design，CAD）中的形体模型，即主要通过数据手套将使用者的运动和对模型的处理结合起来。在野战急救技能训练方面，国外已研发出许多虚拟仿真系统，最大程度模拟实际战场情景，快速有效地培训军医、卫生人员的战创伤救治技能[4]。美国海军医学中心和德州农工大学自2005年起合作开发的虚拟学习项目主要用于军医和卫生院内外科技能操作培训，并且集医学教育和训练功能于一体[5]。为解决派遣至伊拉克战争一线的医务人员对环甲膜切开术熟练度不足的问题，美国华盛顿地区医学模拟中心外科模拟实验室和位于伊拉克的Jameson医务兵训练中心合作开发了练习环甲膜切开的虚拟手术训练系统[6]，有效提升了战地医师的实际操作能力[7]。

1.2 国内研究现状 目前，我国VR技术的应用研究水平尚不成熟，但近年来随着国内计算机行业迅速发展，相应的人工智能、图形图像学、互联网及数据分析等VR相关技术均得到迅猛发展，大量VR及显示AR技术得到广泛应用。VR技术在医疗行业起步虽晚，但也吸引了多家科研机构对其在医疗方面的应用扩展进行了研究，其中影响力较大的有中科院自动化研究所研制的三维医学仿真分析软件3DMed和基于力反馈技术的虚拟手术刀；解放军总医院和国防科技大学开发的虚拟鼻内窥镜手术仿真系统和膝关节镜手术仿真系统均已在临床中得到应用[8]。四川大学华西临床医学院建立的虚拟仿真实验室，拥有教学空间10 000 m2，教学资产近1.2亿元，实验设备3 000台左右，每年提供超过160 000人学时的各种类型和级别的临床技能教学与培训，修改并设计了一套以虚拟体验为核心的“探究式体验课程”[9]。第三军医大学第一附属医院从2010年起着手建立灾害医学救援平台及相应课程体系，从2013年开始实施课程培训，并设立GAP FREED虚拟仿真训练课程[10]；2014年建成的灾害医学虚拟仿真实验教学中心，以“全军医学模拟训练中心”为基础，针对我军机动卫勤分队常态化的灾害救援能力训练而不断拓展，目前已建成占地2 200 m2，包含设备400件，总资产180万元，可开设18个实验科目的虚拟仿真实验教学中心。该中心秉承“以临床技能为基础，以灾害救援为特色”“虚实互补，平战兼顾”原则，集临床技能三基训练、临床诊疗实践能力训练、救援指挥勤务训练和灾害救援合成训练四大模块为一体[11]。

2 VR技术在灾害医学救援专科场景化训练中应用的研究意义

2.1 灾害医学救援流程及场景化训练的必要性 灾害场景分型判断是灾害医学救援快速实施的前提条件，2006-01，国务院颁布的《国家突发公共事件总体应急预案》规定，根据突发公共事件的发生过程、性质和机理，突发公共事件主要分为自然灾害、事故灾难、公共卫生事件及社会安全事件四类。不同性质的灾害造成人员的伤势、伤情、类型有很大差别（图1），因而不同场景所需医学救援程序侧重点不同，如自然灾害场景下，灾害类型主要是地震、洪涝灾害等，常见的创伤主要窒息休克及挤压伤；而公共卫生事件场景，灾害类型主要是传染病疫情和食品安全事件，主要创伤类型集中在感染、中毒等。因此根据灾害性质对救援场景进行划分对提高医学救援效率，最大限度地避免和减少灾害造成的人员伤亡具有重要意义。

2.2 场景专科化训练中应用VR技术的意义 各种灾害场景下，创伤救治的时间紧迫，环境复杂，且伤病员集中，救治流程是确保医疗救治成功的重要环节，由于灾害性质不同，造成人员的伤情不同，医疗救治流程也不完全相同，如传染病救治早期以防疫和隔离救治为主：中毒伤员早期应立即脱离毒气环境，采取给予吸氧等急救措施[12]。传统的医疗救援训练多是通过流程步骤及差别化的训练内容，来强调及区别不同的专科场景，而使用VR技术的场景专科化训练思路是建立各类灾害救援训练模型并建立模型评估系统，通过对模型系统的评估直接指导教学训练过程及结果，循序迭代优化系统方案的准确性，将这些数据结果集与真实灾

图1 灾害场景及场景下的主要创伤类型

害救援中收集的数据结果集做比对，指导训练系统的改进和应急预案的生成[13]。对比传统训练，使用VR技术的场景专科化训练能真实还原各种灾害场景的细节特点，便于参与者进行精准的专科化训练，同时能得出系统性的评估训练结果，并且该训练方式结合实时的训练数据和真实性的仿真训练模型，不但能提高专科化场景训练的灵活性和准确性，也可有效提高参训人员对于灾害场景下各类专科场景的医疗操作体验。系统以三维仿真虚拟交互等形式提供参训人员基本的信息、灾害典型过程、事故结果模拟，以及各类应急资源和救援力量等基础数据，参训人员通过系统工具在VR的三维仿真场景中，可制定和推演细分各类灾害应急医疗的训练内容[14]。VR技术训练场景下的真实感效果，能使参训者更好地应对现实中的突发事件，并熟悉救援过程中的流程细节[15,16]。

3 VR技术在灾害医学救援专科场景化训练研究中的内容

3.1 以医疗学科类别场景划分 VR技术在灾害医学教学训练中的应用主要包括基础医疗能力和灾害急救医疗能力训练两部分。如图2所示，基础医疗能力训练主要包含数字仿真的人体模拟解剖、医学机能实验，全科医学学习三部分；灾害急救医疗能力训练主要包含创伤急救基本技能、热损伤效应评估实验、特殊环境病虫媒介生物虚拟仿真实验、灾害现场感染防护、救援医疗设备使用操作、创伤后应激障碍（post-traumatic stress disorder，PTSD）心理干预几部分内容。

3.2 以医疗救援流程场景划分 灾害救援现场较平时医疗环境在时间上更为紧迫，加之救援场景的突发性、破坏性、群体性、复杂性等特点，大量伤病员需同时救治、现场混乱，工作环境艰苦且危险。在熟悉各类灾害救援应急方案的同时，医疗救护人员也必须熟练掌握相应的救援流程，尽最大程度救助更多伤员，降低死伤率。因此灾害救援医疗教学训练中，依据时间流程划分教学内容，结合VR技术的沉浸式交互，让参训人员提早接受、适应并熟悉灾害环境下的急救流程非常重要。如图3所示，训练过程中模拟的流程，大致按照到达现场前、现场急救时和撤离灾害现场后三个时间节点。到达现场前主要是灾害应急准备工作，偏重于对灾情的了解分析，以及医疗队出队人员和物资的准备工作。其充分程度直接影响医疗救援队员进入灾害现场施救时的过渡时间及展开救援的速度。现场急救阶段，依据灾害医疗救援工作的共性，可统一为现场急救终止损伤，通过检伤分类，按安全级别来决定伤病员的救治顺序，经过一系列紧急救治后，将生命体征平稳的伤员后送至附近医院或医疗救援营区进行病情留观。医疗队员撤离灾害现场后，除将留观伤员交付当地医院进行后续康复治疗外，可通过远程技术对伤员和救援人员进行PTSD心理干预，指导伤病员的康复治疗，对于当地的灾害救援情况，从工具仪器及救援过程提取收集的数据，进行汇总，将结果代入到对应的救援模型中进行优化，用以指导医疗训练和应急方案的修改和更新。

4 小 结

近5年来，医学院校和临床医学专家对急救医学的研究仍集中在感染和创伤两大领域，而对心肺复苏、核、化、生救治的研究相对较少，灾害救援医学方面如狭小空间救援、挤压综合征的现场救治、现场截肢、极端气候下的医疗救援、空运医疗后送、海空救援、多发伤的急救与转送等的研究进展缓慢。尤其是在灾害场景下的标准化应急预案缺少行业规范流程，各救援组织机构一般从外科急救流程中借鉴经验，并未形成统一的阶梯化训练流程和规范化标准。同时，近几年国内外创伤医学研究中鲜有涉及灾害救援儿童专科的；在VR技术方面，也缺少未成年及幼龄阶段的虚拟人体解剖模型等技术支持，这使得参训人员缺乏针对儿童的灾害现场急救经验。随着计算机技术的快速发展，今后可汇总分析大样本量的救援实例和训练数据，这有助于各类场景应急预案及训练模型的制订和推演，VR技术在灾害救援专科化训练中逐步会成为平台化、标准化学习的普遍技术工具，进一步细分救援类型和场景细节，并与医疗专科化场景训练相结合，使医疗救援过程的操作更精准和安全。

图2 以医疗学科类别划分VR技术进行灾害医疗教学训练的主要内容

图3 以医疗救援流程场景划分VR技术进行灾害医疗教学训练的主要内容